Radioactieve, chemische of biologische stoffen zijn voor mensen niet waarneembaar in gevaarlijke situaties en moeilijk te detecteren met teledetectie. Onderzoekers van het Fraunhofer-Institut für Kommunikation, Informationstechnik und Ergonomie (FKIE) gebruiken speciaal uitgeruste drones en robots om radioactief materiaal snel en nauwkeurig te lokaliseren.
Radioactief materiaal
Radioactief materiaal en andere chemische, biologische, radiologische, nucleaire en explosieve stoffen (kortweg CBRNE-stoffen) kunnen een bedreiging vormen voor het publiek en voor hulpdiensten. Zo leidde in 2023 een cesiumcapsule van slechts enkele millimeters groot, die van een vrachtwagen was gevallen, tot een grootschalige zoekactie in Australië. Het recente toenemende aantal hybride aanvallen en diverse destabilisatiepogingen hebben de dreigingssituatie verergerd. Twee onderzoeksafdelingen van Fraunhofer FKIE werken daarom intensief aan de vraag hoe we drones (onbemande vliegtuigen, UAS) en robots (onbemande grondvoertuigen, UGV) kunnen inzetten om mensen in deze bedreigende situaties zo goed mogelijk te ondersteunen.
Testen
De prestaties van dergelijke systemen zijn gedurende vele jaren herhaaldelijk beoordeeld tijdens de European Robotics Hackathon (EnRicH) in de kerncentrale van Zwentendorf en tijdens de European Land Robot Trial (ELROB). Deze evenementen worden beide om het jaar gezamenlijk georganiseerd door onderzoekers van de afdeling Cognitive Mobile Systems. Ze dragen bij aan het testen van drones en robots op hun praktische geschiktheid onder realistische bedrijfsomstandigheden en aan de verdere ontwikkeling ervan op basis van de resultaten.
Geautomatiseerd UAS voor opsporing radioactief materiaal
In opdracht van het Bundeswehr-onderzoeksinstituut voor beschermende technologieën en CBRN-bescherming (WIS) ontwikkelen onderzoekers van de afdeling Sensor Data and Information Fusion een UAS dat snel en nauwkeurig radioactief materiaal kan identificeren en lokaliseren. Een technologiedemonstrator is al getest in veldproeven op de WIS-locatie in Munster. Dit systeem kan een radioactieve bron binnen enkele minuten tot op enkele meters nauwkeurig opsporen. “De cesiumcapsule in Australië kon pas na dagenlang zoeken met handdetectoren worden gevonden. Met ons UAS hadden we de radioactieve capsule veel sneller kunnen vinden”, zegt Claudia Bender, onderzoekswetenschapper bij Fraunhofer FKIE, die samen met haar collega Torsten Fiolka de technologiedemonstrator heeft ontworpen.
Het detectieproces
De onderzoekers zijn met name gespecialiseerd in complexe gegevensverwerking, sensorgegevensfusie en automatisering. Het detectieproces is sterk geautomatiseerd en bestaat uit een verkenningsfase en een zoekfase. Tijdens de verkenningsfase vliegt het UAS over het doelgebied en verzamelt het continu gegevens uit de omgeving. Zodra een afwijking van de achtergrondstraling wordt gedetecteerd, schakelt het systeem over naar de zoekmodus.
Zoekmodus
In deze modus past de vliegroute van de drone zich dynamisch aan aan de informatie die hij al uit de omgeving heeft verzameld en aan de huidige sensorgegevens. Dit gebeurt met behulp van stochastische methoden die de waarschijnlijkheid van verschillende posities van de bron inschatten. “Zodra de piloot de drone lanceert, volgt deze in eerste instantie een vast vliegpatroon. Zodra er voldoende sensorgegevens beschikbaar zijn, schakelt het systeem over naar de adaptieve zoekmodus, waarbij het de verzamelde informatie gebruikt om zelfstandig te berekenen waar de bron zich zou kunnen bevinden“, legt de onderzoeker uit.
Waypoints
“In een volgende fase genereert het waypoints totdat het de gevaarlijke stof heeft gelokaliseerd en rapporteert het de precieze positie van de bron”, aldus de onderzoeker. Een ruimtelijke warmtekaart geeft de stralingsniveaus weer boven de gebieden die zijn gescand. Een waarschijnlijkheidskaart kan ook worden gebruikt om de cel aan te geven met de hoogste waarschijnlijkheid dat deze het radioactief materiaal bevat.
Gammadetector
De drone is uitgerust met een gammadetector die stralingsniveaus meet, evenals extra sensoren voor het detectieproces. Deze worden ondersteund door elektro-optische en infraroodcamera’s, een Intel NUC-computer voor gegevensverwerking, een inertiële meeteenheid (IMU) en een LTE-communicatiemodule voor het monitoren van de gegevens vanaf de grond. De camera’s tonen het livebeeld dat door de drone wordt waargenomen. Ze kunnen objecten zoals mensen, gebouwen en voertuigen detecteren en deze met georeferencing op een kaart weergeven. De IMU registreert de positie en beweging van de drone in 3D.
Vervolgproject
De technologiedemonstrator is het resultaat van onderzoek in het kader van het HUGIYN-project (Highly Automated UAS for Detecting and Identifying y-Emitting Nuclides). In het vervolgproject SLEIPNIR (Automated Airborne Detection and Identification Platform for Nuclides and Isotopes from Radioactive Sources) willen de onderzoekers onder meer de luchtsnelheid van de UAS verhogen en tegelijkertijd meerdere en bewegende nucliden lokaliseren.
Bron: Fraunhofer
Foto: Naast een gammadetector heeft het sterk geautomatiseerde UAS ook elektro-optische en infraroodcamera’s aan boord. (foto: Fraunhofer FKIE)
